地下水几乎存在于所有地貌中。地下水与地表水的相互作用取决于地貌和气候环境。例如，一条气候湿润的溪流可能会有地下水流入，但在干旱气候下的相同地貌环境中，溪流的水可能会流失到地下水中。为了对不同地貌中地下水和地表水的相互作用提供一个广泛而统一的视角，使用了一个概念地貌（图 1）作为参考。本文介绍对矿山废水治理非常重要的山地地下水和地表水交换情况。
图 1. 地下水和地表水在从山脉到海洋的所有地貌中相互作用（M、山地；K、岩溶；G、冰川；R、河岸（小）；V、河流（大）；C、沿海）
山区地形的水文特点是降水量变化很大，水流在陡峭的山坡上流动。穴居生物和植物根系腐烂产生的大孔隙有能力将地下水流快速向下坡传输。此外，土壤下层的某些岩石类型可能风化严重或断裂，可能会通过地表下层传输大量额外的水流。在某些情况下，这种快速的水流会形成山泉。
山区水流的一般概念包括降水通过山坡流向溪流的几种途径（图 2）。在暴雨和融雪期之间的时间，溪流靠地下水系统的排泄来维持（图 2A）。在强烈的暴雨期间，大部分水流通过高传导性土壤的部分饱和和流动，迅速到达溪流。在山坡下部，暴雨期间地下水位有时会上升到地表，从而形成地表径流（图 2B）。在这种情况下，饱和区域的降水会增加陆地流量。当山区持续出现暴雨或融雪时，近溪流饱和区域可能会从溪流向外扩展，包括山坡上更高的区域。在某些情况下，尤其是在干旱地区，当降雨量超过土壤的渗透能力时，就会产生地表径流（图 2C）。
图 2. 降水通过几种途径流入山区溪流。在暴雨和融雪期之间，流入溪流的大部分水通常来自地下水（A）。在暴雨和融雪期，流入溪流的大部分水流来自土壤带饱和大孔隙中的浅层水流。如果渗透到地下水位的水量足够大，地下水位就会上升到地表，流向溪流的水则来自地下水、土壤水和地面径流（B）。在土壤非常干燥、植物稀少的干旱地区，渗透受到阻碍，降水径流会以陆地流的形式出现（C）
在一些山坡的底部附近，地下水位与陡峭的谷壁相交，距离坡底有一段距离（图 3，山谷左侧）。这导致地下水常年排放，在许多情况下还会出现湿地。导致一些山谷出现湿地的一个更常见的水文过程是地下水向上排放，这是由于地下水位的坡度从山谷一侧的陡峭变为冲积山谷中的相对平坦（图 3，山谷右侧）。在存在这两种地下水位条件的地方，就会出现由地下水提供水源的湿地，也就是通常所说的沼泽地。
图 3. 在山区地形中，地下水可从陡坡底部（山谷左侧）、冲积平原边缘（山谷右侧）和溪流中排出
山区地下水和地表水相互作用的另一个动态方面是由山谷中流动的明显纵向分量引起的。山溪的高坡度，加上河床沉积物的粗糙结构，导致水流中强烈的下谷成分，并伴随着溪水与下渗带水的频繁交换（图 4）。地表水流经粗糙的河床、水潭和涟漪、瀑布以及巨石和原木周围，形成了溪流与其下渗带之间水流交换的驱动力。通常情况下，溪水在水潭的下游末端进入下渗带，然后流经溪流的陡峭地段（称为溪流），在下一个水潭的上游末端返回溪流（图 4A）。溪水还可能从河道蜿蜒处的上游进入下渗带，使溪水流经砾石条，然后重新进入河道下游（图 4B）。
图 4. 地表水与下渗带地下水的交换与河床坡度的突然变化（A）和溪流弯曲（B）有关
从山区流出的溪流通常流经山谷边缘的冲积扇。在这种环境下，大多数溪流在穿过高渗透性冲积扇时都会将水流失到地下水中。这一过程在干旱的西部地区早已有之，在潮湿地区也有记载。在干旱和半干旱地区，溪流渗水可能是含水层补给的主要来源。尽管流失溪流的地下水补给十分重要，但在这些地区的含水层水量平衡中，地下水补给仍然是一个非常不确定的部分。目前正在研发前景看好的一些新方法，用于估算沿山地前沿的地下水补给量（至少是局部补给量）。这些方法包括使用环境示踪剂、测量河床的垂直温度剖面、测量河床的水力特性以及测量溪流与地下含水层之间的水头差。
山区最常见的天然湖泊是由高山上的岩壁或冰川沉积物筑成的堤坝。它们被称为堰塞湖，大部分水量来自融雪。不过，它们与地下水的相互作用过程与图 3 中所示的过程非常相似，在整个无雪季节，地下水都可以维持湖泊的状态。
山区的地球化学环境多种多样，这是因为多变的气候以及多种不同的岩石和土壤类型会对水化学的演变产生影响。地质材料包括结晶岩、火山岩、沉积岩和冰川沉积物。沉积物既有发育良好的土壤层，也有未发育土壤层的溪流冲积物。降水量大时，许多水流经浅层流道，与微生物和土壤气体发生作用。在流经断裂基岩的深层水流中，地下水与矿物质的长期地球化学作用决定了最终排入溪流的水的化学成分。山区溪流的基流来自谷底饱和冲积层的排水和基岩裂缝的排水。这些化学性质不同的水混合在一起会产生地球化学反应，从而影响溪流中水的化学性质。溪水在河道中顺流而下的过程中，会与下渗带中的地下水混合。在一些山区溪流中，地下水层的水量要比河道中的水量大得多。在某些情况下，下渗带水的化学反应会大大改变溪流的水化学性质（图 5）。
图 5. 与地下水和地表水相比，下渗带的微生物活性和化学转化通常会增强。下渗带可能发生的一些过程和化学转化。实际的化学相互作用取决于许多因素，包括含水层矿物学、含水层形状、地表水和地下水中的有机物类型以及附近的土地利用
实地研究
山区地形的陡坡和岩石特征使得地下水和地表水之间的相互作用难以确定。因此，很少在山区对这些相互作用进行详细的水文地质调查。下面举两个例子。
对白山镜湖地区进行的实地和模型研究表明，流入地表水体的地下水流系统的规模远远大于根据地形确定的流域。例如，排入镜湖的断裂基岩中的大部分地下水都从与诺里斯溪相关的当地水流系统下方流过（图 6）。此外，排入 Pemigewasset 河的更广泛的深层地下水流系统也从与诺里斯溪和镜湖相关的水流系统下方流过。
图 6. 镜湖地区的地下水流动系统超出了地形定义的地表水流域
在山区进行的研究可利用示踪剂来确定溪流的地下水源。除了揭示地下水与溪水之间的水交换过程外，溶质示踪剂还被证明有助于确定山区溪流周围的下渗带的范围。例如，将氯离子或溴离子等溶质示踪剂注入溪流，人为地使其浓度高于自然背景浓度。地下水流入的位置和数量是通过一个简单的稀释模型确定的。示踪剂进入下渗带的程度可通过模型估算，通常可通过在研究区域设置取样井来验证。
另外一项研究表明，山区溪流的下渗交换在很大程度上是由不规则的河床地形造成的，这种地形形成了山区溪流特有的水潭和溪流。地下水最容易在深潭的上游末端进入溪流，溪水则在陡峭的溪段（溪流）下方和侧面流入地下（图 7）。因此，河道的不规则性对地下水流入溪流的位置以及山区溪流下渗带的大小具有重要的控制作用，因为坡度的变化决定了下渗流路径的长度和深度。
图 7. 以水潭和溪流为特征的山区溪流中，在溪流的下游末端，从地下水层流入溪流的水量最大
利用溶质示踪剂可以确定接受废弃矿井排水的溪流中金属污染物的来源和去向。除了来自矿山的地表排水外，最近一项实地研究表明，地下水流入也给溪流带来了污染物。地下水过去曾受到采矿活动的污染，现在则成为溪流的新污染源。这种地下水污染非点源很可能比来自矿井隧道的污染点源更难修复。
（编译于USGS的相关资料）
